符合本发明的装置、系统以及方法涉及切割，并且更确切地涉及与等离子电弧割炬及其部件相关的装置、系统以及方法。
背景技术：
在许多切割、喷射以及焊接操作中，使用了等离子电弧炬。使用这些炬，等离子气体射流在高温下被发射到环境大气中。这些射流是从喷嘴发射的，并且当它们离开喷嘴时，这些射流是高度欠膨胀且非常集中的。然而，由于与经电离的等离子射流相关联的高电流负载和高温，炬的许多部件容易发生故障。这种故障可能显著干扰炬的操作并且在切割操作开始时阻止正确地引弧。由于这种趋势，许多切割操作例如在可以切割的材料的厚度方面受到限制。这种厚度限制通常取决于炬在最大安培额定值下的最大刺穿能力。例如，80安培额定值的炬只能切割厚度为3/4英寸或更小的低碳钢，因为这是在80安培额定值下可以有效刺穿的最大厚度。因此，由于存在这些限制，需要能力较强的(例如电流负载较高的)炬来切割较厚的材料。但这可能是不利的，因为用户可能需要有许多不同的炬或必须购买更昂贵的炬来切割仅比当前炬库存的最大额定厚度略厚的厚度。
通过将常规的、传统的以及所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域的技术人员而言将变得明显。
技术实现要素：
本发明的示例性实施例是被设计成刺穿比通常允许刺穿的厚度更厚的材料的等离子切割系统及其部件。这是通过利用比炬的最大工作电流负载高的刺穿电流负载持续有限的时间量来实现的。
附图说明
通过参照附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：
图1是可以用于本发明实施例的示例性切割系统的图解表示；
图2a至图2f是在刺穿操作过程中的不同阶段示例性喷嘴上的热梯度的图解表示；
图3是示例性刺穿电流波形的图解表示；
图4是示例性刺穿电压波形的图解表示；
图5a和图5b是已知刺穿操作和与示例性实施例一致的刺穿操作之后的示例性喷嘴中的热梯度的图解表示；并且
图6是本发明的示例性等离子切割系统的图解表示，该示例性等离子切割系统可以实现本文所描述的示例性刺穿操作。
具体实施方式
现在将详细参照多个不同的和可替代的实施例并参照附图，其中相似的数字表示基本上相同的结构元件。每个实例是通过说明的方式而不是作为限制来提供的。事实上，本领域的技术人员将清楚的是，可以在不脱离本披露内容和权利要求书的范围或精神的情况下作出修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分所展示或描述的特征可以在另一个实施例上使用，以产生更进一步的实施例。因此，本披露内容旨在包括在所附权利要求书及其等效物范围内的修改和变化。
本披露总体上针对在多种不同切割、焊接和喷射操作中有用的等离子电弧炬。确切地讲，本发明的实施例针对空气冷却式等离子电弧炬，而其他实施例则针对液体冷却式的实施例。当然，本文所描述的这些特征中的一些特征在不减损这些示例性实施例的新颖性的情况下可以用于任一种炬构型中。另外的示例性实施例是针对空气冷却式等离子电弧炬，该等离子电弧炬是缩回式电弧炬。如一般所理解的，缩回式电弧炬是如下电弧炬：其中使电极与用于电弧引发的喷嘴相接触，然后使该电极从该喷嘴缩回使得该电弧接着被引导穿过该喷嘴的喉部。在其他类型的缩回式炬中，该电极保持静止并且使该喷嘴移动。本发明的示例性实施例可以应用于这两种类型。这些炬以及液体冷却式炬的构造和操作总体上是已知的，并且因此本文将不讨论它们的详细构造和操作。另外，本发明的实施例可以用于手持式或机械化式等离子切割操作中。应当指出的是，出于清楚简明的目的，下面的讨论将针对本发明的、主要针对用于切割的手持式等离子炬的多个示例性实施例。然而，在这方面本发明的实施例是不受限制的，并且可以在焊接炬和喷射炬中使用本发明的实施例而不脱离本发明的精神或范围。如果希望的话，不同功率水平的多种不同类型和尺寸的炬是可能的。另外，本文所描述的这些炬和部件可以用于标记、切割或金属移除。此外，能够以变化的电流和变化的功率水平来使用本发明的示例性实施例。能够与本发明的实施例一起使用的类型的空气冷却剂系统的构造和使用是已知的，并且无需在本文中进行详细的讨论。
现在转向图1，示出了示例性切割系统100。系统100含有电源10，该电源包括壳体12，该壳体带有连接的炬组件14。壳体12包括用于控制等离子电弧炬的各种常规部件，诸如电源、等离子启动电路、空气调节器、熔丝、晶体管、输入和输出电连接器和气体连接器、控制器、以及电路板等。另外，电源10可以包括如cpu等计算机控制器、存储器等，以根据需要控制电源的操作。此类控制器和控制配置是已知的并且不需要在此详细描述。炬组件14附接至壳体的前侧16上。炬组件14内包括多个电连接器，以用于将炬端部18内的电极和喷嘴连接至壳体12内的电连接器上。针对导引电弧和工作电弧可以提供分开的电通路，其中切换元件被提供在壳体12内。气体导管也存在于炬组件内以用于将变成等离子电弧的气体转移至炬的端头，如之后所讨论的。可以同各个电连接器与气体连接器一起将不同的用户输入装置20(诸如按钮、开关和/或转盘)提供在壳体12上。
电源还包括可以是lcd触摸型显示器30的用户界面/显示器，其允许用户输入。该显示器可以可视地显示输入选择、电源状态、操作设置等。该显示器/ui30被联接到电源10的内部计算机/控制器，以允许用户输入被提供给控制器并且显示旨在由该控制器显示的信息。
应理解的是，图1中所展示的壳体12不过是可以采用本发明的多个方面以及在本文披露的概念的等离子电弧炬装置的单个实例。相应地，以上的总体披露和描述不应被理解为以任何方式限制可以采用所披露的炬元件的等离子电弧炬装置的类型或大小。
如图1所示，炬组件14在一个端部处包括连接器22以用于附接至壳体12的匹配连接器23上。在以这样的方式连接时，连接了穿过炬组件14的软管部分24的多个电通路与气体通路以便使炬200的相关部分与壳体12内的相关部分相连接。图1所示的炬200具有连接器201并且是手持式类型的，但是如以上所解释的，炬200可以是机械化类型的。手柄、触发器等炬200的一般构造可以类似于已知的炬构造并且不必在此进行详细描述。然而，炬200的、有助于进行切割目的的电弧的产生和维持的多个部件位于炬端部18内，并且在以下将更详细地讨论这些部件中的一些部件。确切地讲，以下讨论的这些部件中的一些部件包括炬电极、喷嘴、防护罩、以及涡流环。
如上面简要描述的那样，等离子割炬具有安培额定值(例如80安培、100安培等)，其倾向于指示炬及其内部组件的最大操作电流。超过这个安培额定值往往会加速炬及其部件的故障。由于这些安培额定值和限制，已知的炬和切割系统在它们可以切割的材料厚度上受到限制。这个限制主要是由于刺穿限制。也就是说，对于相应炬的每个最大电流额定值，存在最大材料刺穿厚度。例如，大多数80安培的炬只能刺穿厚度为3/4英寸或更小的低碳钢工件。这是它们在80安培的最大电流下可以刺穿的最大材料厚度。这些限制通常是由于炬部件(诸如电极、喷嘴等)上的热容量限制。也就是说，如果切割操作在比额定电流水平高的电流水平下操作，则炬部件中的热量可能会导致其过早发生故障。
然而，由于炬及其内部部件的热特性，切割操作开始时不能立即达到炬的稳态操作温度。也就是说，炬部件通常需要一段时间(几秒)才能达到其稳态操作温度，炬和部件可以在此稳态操作温度下运行。这总体上在图2a至图2f中示出。这些图中的每幅图描绘了示例性炬喷嘴210，等离子电弧穿过该喷嘴到达工件。(因为等离子炬和部件的构造和操作是已知的，所以在此不再详细讨论。)图2a描绘了在约1秒的操作之后的示例性喷嘴210及其温度梯度。图2b描绘了约2秒时的同一喷嘴。图2c示出了约3秒时的同一喷嘴。图2d示出了约5秒时的同一喷嘴，而图2e示出了约8秒时的同一喷嘴。最后，图2f示出了处于稳定状态的喷嘴210，该稳定状态可以在8秒之后不久发生。如图所示，喷嘴中的稳态温度梯度在引发电弧后的一段时间之后发生。本发明的示例性实施例利用这些热性能来实现与已知系统相比增强的刺穿和切割厚度。
具体而言，在本发明的示例性实施例中，刺穿电流被设定为比炬及其部件的稳态电流额定值高的电流水平。这个较高的电流水平被使用很短的时间量以允许刺穿较厚的材料，然后在刺穿之后，使电流水平下降到用于切割操作的稳态水平。这将在下面进一步解释。
示例性实施例利用比给定炬的稳态电流水平高的刺穿电流来刺穿否则将能够被刺穿的较大厚度。这是刺穿电流持续一段时间或直到探测到刺穿，然后电流下降到稳态电流水平，该稳态电流水平与炬及其部件的电流额定值一致。这允许使用传统上具有明显的厚度限制的炬来切割较厚的材料。以下讨论的附图进一步解释了这一点。
图3描绘了本发明实施例的示例性等离子切割电流曲线300。如图所示，该电流曲线具有刺穿部分310和稳态切割部分。如图所示，该刺穿部分310具有比稳态电流水平高的电流水平。刺穿电流保持持续时间d，该持续时间足以允许工件被刺穿，但不会太长而致使炬部件(诸如喷嘴)超过其热容量，超过热容量可能加速其发生故障。在刺穿过程中这种增加的电流导致部件(诸如喷嘴)相比正常刺穿操作更快地达到其希望的稳态热梯度条件，但是由于持续时间d相对较短，不超过或仅短暂地超过其热容量，从而防止损坏部件。这种增加的刺穿电流允许炬刺穿并然后切割较厚的工件，否则将能够使用典型的电流曲线来刺穿该工件。
也就是说，虽然刺穿过程中产生的热量高于正常切割过程中可能产生的热量，但是持续时间很短，因此不会超过部件(诸如喷嘴、电极等)上可接受的热负荷。这是因为热负荷(w)＝焦耳/秒＝(质量*比热容-cp*δ温度)/时间(例如秒)，并且比热容可能更高时，则对于特定的质量和温差在该热量下的时间长度减小。
在一个示例性实施例中，刺穿电流在比炬的最大稳态切割电流高20％至60％的范围内。在其他示例性实施例中，刺穿电流310在比最大稳态切割电流高25％至50％的范围内。例如，如果炬及其部件具有80安培的最大稳态切割电流320，则最大刺穿电流可以在100安培至125安培的范围内。这将允许80安培的炬能够刺穿和切割厚度至少达1英寸的低碳钢，而先前这样的炬限于能够刺穿和切割3/4英寸厚的工件。这展现了优于已知炬和切割系统的显著优势，并且可以允许切割系统有效地刺穿和切割比使用传统系统和方法能够切割的厚度厚25％以上的工件。
图4描绘了根据本发明实施例的刺穿和稳态切割过程中的示例性电压波形。如图所示，该电压具有斜升部分410至最大刺穿电压415。在刺穿之后，该电压下降到对应于稳态切割电流的稳态电压420。如图所示，在点415处，等离子电弧刺穿工件。还应当理解，相比切割，刺穿通常在更高的炬高度处进行。在本发明的示例性实施例中，可以通过检测电压和/或dv/dt来检测刺穿。在示例性实施例中，电源控制器可以使用内部计时器/时钟来检测从等离子体启动到刺穿415的时间，以确定电流水平处于较高刺穿水平的时间量d。
在本发明的示例性实施例中，刺穿时间d可以是预先确定的时间或预设时间d。例如，在一个实施例中，用户可以输入预设刺穿时间d，在该预设刺穿时间之后电流将下降到稳态切割电流水平和刺穿电流水平(例如110安培)。在此类实施例中，电源将输出当前电流水平持续预设时间。然而，在此类实施例中，电源的控制器确定预设电流和时间d是否超过了炬和/或部件(例如喷嘴)的热能力，并且如果所输入的数据超过了部件的热能力则不允许进行操作。例如，在此类实施例中，用户可以输入与炬和/或其部件相关的信息，诸如炬的类型或部件号。电源的控制器使用查找表来确定炬的热容量，例如使用炬内喷嘴的热容量。如果所选电流水平、所选持续时间或所选电流水平和持续时间的组合超过了炬/部件预先确定的热限制，则操作将被锁定。此外，系统可以使用显示器和/或用户界面来向用户显示锁定或警告。例如，基于所选择的炬/部件，控制器将确定/查找最大刺穿电流，该最大刺穿电流不能被超过，并且该控制器可以查找/确定所选电流水平下的最大刺穿时间。例如，在100安培的所选刺穿电流下，控制器可以提供3秒的最大刺穿时间d，而在110安培的刺穿电流下，最大刺穿时间可以为2.5秒。这将防止用户输入将超过炬和/或其部件的热能力的刺穿电流/时间组合。在示例性实施例中，该刺穿时间可以在1秒至5秒的范围内，并且在其他示例性实施例中，该刺穿时间可以在2秒至4秒的范围内。
在另一个示例性实施例中，电源的控制器使用输入信息诸如炬的类型或炬的限制和刺穿电流来确定最大刺穿持续时间d。当切割操作开始时，控制器启动计时器并且在第一次出现(1)检测到刺穿(例如415)或(2)预先确定的持续时间d结束时切断或减小输出电流。这确保不超过炬/部件的热容量。在一些示例性实施例中，如果在没有检测到刺穿事件(例如，检测到电压降和/或dv/dt变化)的情况下达到所确定的持续时间d，则停止输出电流和/或电源上的显示器可以提供刺穿失败的音频或视觉警告。在其他示例性实施例中，在周期d结束时，电源可以使输出电流下降到炬/部件的最大允许稳态切割电流并且继续进行切割操作。在此类实施例中，电源可以输出可能还未发生刺穿的音频和/或视觉指示。
在进一步的示例性实施例中，电源/控制器允许用户输入信息，诸如材料类型和材料厚度。电源的控制器使用此信息，再加上有关所附接的割炬的信息，确定装备的炬是否有可能进行刺穿。在此类实施例中，例如，控制器考虑配备在炬中的炬/炬部件、材料厚度和材料类型，并且使用该控制器内的查找表等来确定该材料是否可以在不改变炬的情况下被刺穿和切割。例如，用户可以输入所配备的炬。例如，对于炬组件或特定组件(诸如喷嘴)，数据条目为零件号、序列号或零件类型。替代性地，用户可以输入炬的最大稳态切割电流额定值。然后用户可以输入材料类型(例如低碳钢、不锈钢等)和材料厚度(例如3/4英寸、1英寸等)。利用这些信息，计算机可以使用查找表来确定炬/炬部件是否可以用于正确地刺穿和切割工件。利用这些信息，控制器/计算机可以确定刺穿电流和刺穿过程中的最长持续时间。
以下是对示例性具体实施的描述。在此类实例中，用户将割炬组件连接至电源10，然后可以使用用户界面30或其他机构来指示所连接的炬的容量。例如，用户可以输入该炬是“80安培”的炬，这意味着炬被设计成具有80安培的最大稳态切割电流。然后用户输入材料类型(例如，低碳钢)和材料厚度(例如1英寸)。使用电源控制器内的查找表，该控制器确定可以成功实现刺穿和切割。在这一确定之后，显示器30可以显示绿色指示器(或类似物)以指示可以实现刺穿和切割，并且可以设置刺穿操作的刺穿电流和刺穿持续时间d。在另一个示例性实施例中，控制器可以简单地使用炬/部件信息与材料类型，并且经由显示器30向用户显示最大刺穿厚度。
在任一具体实施中，控制器基于输入信息来确定刺穿电流和刺穿持续时间d。当该过程开始时，控制器监测刺穿电流下的时间，并且如果在时间段d结束之前检测到刺穿，则控制器将电源10的输出降低至切割电流。如果未检测到刺穿，则控制器可以停止操作或使电流下降并且继续进行切割，具体取决于所设置的配置。
以上针对刺穿电流和刺穿持续时间d的确定可以考虑许多因素。然而，在一些示例性实施例中，炬的喷嘴210可以用作确定刺穿电流和/或刺穿持续时间d的炬部件。这是因为该喷嘴通常是对等离子电弧产生的热量最敏感或受到其影响的炬部件。实际上，由于关系式热负荷(w)＝焦耳/秒＝(质量*比热容-cp*δ温度)/时间(例如，秒)，喷嘴210的质量可以是确定最大刺穿电流和最大刺穿持续时间的驱动器。因此，在一些实施例中，当用户输入炬信息时，控制器查找表可以使用与该炬的喷嘴相关联的质量信息来进行上述确定。此外，在一些示例性实施例中，喷嘴的整体尺寸可以是决定性因素，因为较大的喷嘴具有较大的表面积。也就是说，在热负荷下主体内温度稳定所需的时间可表示为t＝(e*v*cp)/(h*as)，其中e是主体的密度(kg/m3)，v是主体的体积(m3)，cp是主体的比热(j/kg*k)，h是主体所处流体的对流传热系数(w/m2*k)，并且as是主体的表面积(m2)。因此，在一些实施例中，当用户输入炬信息时，查找表可以针对上述关系(例如表面面积、体积等)查找关于喷嘴的信息，并且控制器可以确定给定热负荷下温度稳定的持续时间。在其他实施例中，用户可输入包括类型和流量的防护气体信息，其可用于确定稳定的持续时间。值得注意的是，通过使用关系式t＝(m*cp)/(h*as)，其中m是质量，还可以简化上述关系式以再次利用喷嘴的质量。
上述讨论的热影响可以在图5a和图5b中看出。图5a描绘了在80安培的稳态切割电流下操作的喷嘴210的温度梯度(另参见图2f)。然而，图5b描绘了在约2秒后在100安培的刺穿电流下的相同喷嘴210中的温度梯度。可以看出，温度梯度非常相似。因此，该喷嘴可以在100安培下刺穿约两秒，并且达到与稳态切割时相同或相似的温度梯度。因此，如果工件在100安培下2秒后被刺穿，则电流(在该实例中)可以返回至80安培并且继续进行切割，而不对喷嘴210造成不利影响。只要刺穿电流和持续时间d不将过多的热量传递到喷嘴中，本发明的实施例可以允许在已知炬的相应电流额定值下，刺穿和随后切割厚度大于先前可能的厚度的工件。当然，在本发明的实施例中，电源10应该能够输出所希望的所需刺穿和切割电流。然而，由于大电流切割电源的设计、构造和操作是已知的，因此不需要在此详细描述这些系统的细节。
因为如果炬部件(例如喷嘴)在操作过程中过热，则其热完整性可能受到不利影响，所以本发明的示例性实施例可以使用各种方法来防止炬和/或其相应部件过热。例如，在一些示例性实施例中，炬可以包括联接到电源的控制器的热传感器。该传感器可安装在炬上或炬中来监测炬部件(诸如喷嘴)的温度，以检测部件温度。使用所感测到的温度，控制器将锁定要求刺穿电流超过炬的最大稳态切割电流的刺穿操作。这可以防止任何随后的刺穿操作损坏炬的任何部分。例如，控制器将设置一个温度阈值水平，在该温度阈值水平下可以采用超过最大稳态电流额定值的刺穿电流(例如参见图3)。这确保了炬/部件的起始温度足够冷，使得较高的电流不会造成损坏。但是，如果检测到的电流高于该阈值水平，控制器将只允许等于或低于该最大稳态电流水平的随后的刺穿电流。这是因为炬的冷却系统(例如液体或空气)将能够通过刺穿操作充分冷却炬/部件。在一些示例性实施例中，控制器可以在每次开始刺穿操作之前感测炬/部件温度，以确保可以在不造成损坏的情况下进行刺穿。在其他实施例中，如果刺穿操作的所选刺穿电流高于最大稳态电流水平，控制器将仅检测炬/部件温度。因此，例如，如果最大值稳态电流水平为80安培，希望的/所选的刺穿电流等于或低于80安培，则不进行温度检查，但如果刺穿电流超过这一水平，则将进行温度检查。如果检测到的温度过高，则直到检测到的温度低于希望的起始温度水平时才开始该过程。在一些实施例中，可以在电源中进行(视觉和/或音频)指示以指示由于炬太热而不开始该过程。
在其他示例性实施例中，控制器可以在每次切割操作之后使用冷却阈值以允许充分的冷却。例如，电源的控制器可以具有确定的或预先确定的冷却阈值，并且使用定时器/时钟进行锁定以防止额外的刺穿，直到达到阈值时间结束。例如，在切割操作之后控制器可以具有30秒的阈值，使得如果在30秒结束之前尝试随后的刺穿，则将防止进行刺穿。该阈值可以在控制器内预先确定，或者可以由控制器基于输入信息来确定，诸如所连接的炬和/或用于先前切割操作的切割电流。例如，如果先前的切割操作具有第一电流水平(例如80安培)，则阈值将具有第一值(30秒)，并且如果先前的切割电流具有第二稳态值(例如100安培)，则阈值将具有第二值(例如45秒)。因此，控制器可以使用计时器/定时器，该计时器/定时器在先前的切割操作结束时开始并且计数到阈值的时间结束，在此之后可以开始随后的刺穿操作。在一些示例性实施例中，电源上的显示器可以显示阈值的倒数，以向用户显示下一次刺穿可以开始之前的时间延迟。
图6中示出了示例性的非限制性电源10。该拓扑旨在是示例性的，并且本发明的实施例不限于此。如该实施例中所示，输入功率/电流(其可以是发电机或公用电力)由整流器或其他输入电路610接收。然后对功率/电流进行整流并提供给降压/升压电路620，该降压/升压电路可以或者可以不对功率因数进行校正。电路620然后通过dc总线将dc功率信号输出至输出电路630，该输出电路可以是斩波器、pwm等，其向炬200提供希望的输出电流以切割工件w。电源10包括控制器640，该控制器可以接收来自输入电路的控制功率并且控制/监测降压/升压电路620和/或输出电路630的操作以提供希望的切割电流，无论是刺穿还是切割等。控制器640还联接到用户界面/显示器650。用户界面/显示器可以允许用户如本文所描述的那样输入数据，并且如本文所描述的那样显示信息。控制器640可以是任何已知的基于cpu的计算机系统，其具有处理和存储器以执行本文所描述的功能。例如，控制器640可以使用查找表等来执行本文所描述的功能并进行确定。其他实施例不限于图6中所示的配置。
虽然已参照某些实施例描述了本申请的主题，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离该主题的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等效形式。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应主题的教导内容而不脱离主题的范围。因此，意图是该主题内容不限于所披露的特定实施例，而是包括落入本文所描述的范围内的所有实施例。